Oksidativ stress, DNA-skade og -reparasjon
Oksygen er toksisk for både aerobe og anaerobe organismer; alle celler har mekanismer for å beskytte vitale prosesser mot effekter av både oksygen-radikaler (ROS) og andre radikaler. Radikal-dannelse er en hyppig forekommende mekanisme for toksisitet. Det er pågående prosjekter innen dette området hos flere aktuelle samarbeidspartnere (se blant annet Fallgren et al., 2007; Finne et al., in press; Finne et al., 2008; Jacobs et al., 2006) og den ene PhD-kandidaten bevilget fra MNF til satsingen, Mazyar Yazdani, har startet på et prosjekt som fokuserer på studier av hvordan radikaler dannes og DNA-skade i ulike biologiske system. Det vil være aktuelt å videreføre kunnskap og kompetanse om mekanismer og effekter til også å omfatte arbeid med andre biologiske systemer, som fisk og evertebrater. Prosjektgruppen har erfaring med effekter av ROS hos virvelløse dyr (Hylland et al., 1997) og fisk (Hylland et al., 2006a, b; Tollefsen et al., 2006). Under fotosyntesen dannes singlet oksygen i kloroplastene og planter har derfor særlige beskyttelsesmekanismer der blant annet karotenoider og andre antioksidanter inngår. En av de unike aspektene av nyetablering toksikologi er anledningen til å sammenligne ulike modell-organismer (pattedyr til fisk, virvelløse dyr og planter). I løpet av fem år skal gruppen ha etablert en fiske- og en evertebratmodell til studier av progresjon av oksidativ stress, DNA-skade og -reparasjon. Det skal også være gjennomført komparative studier. Denne aktiviteten bør lede til minst 7 artikler i løpet av 5 år. I løpet av ti år skal miljøet være en attraktiv samarbeidspartner internasjonalt innen økotoksikologi innenfor dette fagområdet. Det er mange medisinske miljøer som arbeider innen dette området, så målsetninger for 5-10 innen human toksikologi må avvente diskusjoner på workshop (se ovenfor).
Immuntoksikologi
Det er begrensede kunnskaper om mekanismer for immuntoksikologi og eventuell kobling til økt sykdomsfølsomhet hos akvatiske organismer. Aktiviteter innen dette fokusområdet vil utvikle forskningsprosjekter for å øke forståelse av hvordan fremmedstoffer kan modulere immunparametre hos virvelløse dyr og fisk i samarbeid med institusjoner som arbeider med immuntoksikologi hos pattedyr (mennesker). Eksisterende metoder for virvelløse dyr baserer seg i hovedsak på makrofag-funksjoner hos sirkulerende celler. Det er et stort potensiale for å øke forståelsen av prosesser gjennom bruk av molekylærbiologiske teknikker i tillegg til cellebiologiske metoder (flow cytometri) og immun-assays. Det er noe overlapp mellom dette fokusområdet og det neste (cellebasert toksikologi). I løpet av fem år skal miljøet ha etablert en evertebrat (blåskjell eller pigghud) og en fiskeart (torsk) som modeller for immuntoksisitetsstudier og kartlagt aktuelle gener for videre studier. Det skal videre være etablert en arbeidsgruppe med internasjonale partnere for å gjøre langtidsstudier av om og hvordan immunmodulering påvirker helse hos disse artene. I løpet av ti år skal miljøet være blant de ledende i verden på immuntoksikologi hos marine arter.
Cellebasert toksikologi
En av de virkelig store utfordringene i årene framover blir å øke forståelsen av eventuelle effekter av blandinger av mange ulike fremmedstoffer, inkludert ulike legemidler. Bruk av «high throughput» teknologi som primærcellekulturer og cellelinjer er en framgangsmåte for å kunne undersøke slike interaksjoner. Selv om det er åpenbare begrensninger i forhold til eventuelle effekter på intakte individer, gjør bruk av celler det mulig å isolere ulike mekanismer for toksisitet. Gjennom de siste 5-10 årene har toksikologi-miljøet ved UiO arbeidet med en rekke ulike cellesystemer, fra primærcellekulturer av sjøstjerne-coelomocytter, via hepatocytter fra fisk til humane myocytter (Ellesat et al., in press; Tollefsen et al., 2006). Den ene PhD'en i nyetablering toksikologi, Kathrin Ellesat, bruker ulike cellekulturer i sine studier av mekanismer for statiners effekt og toksisitet. Ved å benytte avanserte cellebiologiske teknikker til å følge cellulære prosesser vil det være mulig å ta lange skritt videre i forhold til forståelsen av mekanismer for hvordan fremmedstoffer påvirker celler fra ulike organismer og vev. I løpet av fem år skal modeller og cellebiologiske verktøy være etablert, samt en strategi for vurdering av blandingstoksisitet. Innen ti år skal miljøet være blant de ledende i verden når det gjelder bruk av cellesystemer til studier av blandingsgiftighet.
Modellering - fra celle til næringsnett
Effekter av toksiske stoffer eller legemidler er avhengig av konsentrasjoner i celler, vev og individer. Deltakerne i dette fokusområdet er allerede veletablerte internasjonalt når det gjelder prosesser som styrer akkumulering av miljøgifter i organismer og næringsnett (Haukås et al., 2009; Ruus et al., 2006). Miljøet har også omfattende kompetanse på fordeling i organismer (Erk et al., 2005) og akkumulering på cellenivå (Hermann et al., 2006; Åsberg et al., 2003, 2004). Det vil bli utviklet teknikker for å følge fordeling av stoffer in vivo (IR-deteksjon) i tillegg til etablerte teknikker for helkroppsfordelingsstudier (autoradiografi, scintillasjonstelling, kjemisk analyse). Innen fem år skal miljøet ha etablert metoder for in vivo studier av vevsfordeling av fremmedstoffer i organismer og ha utviklet modeller som integrerer individuelle prosesser med fordeling av fremmedstoffer i næringsnett. Om ti år skal miljøet være blant de ledende internasjonalt når det gjelder næringsnett-modellering og kobling mellom toksikokinetiske modeller og økologiske prosesser.
Andre forskningsområder
Det er et potensiale for videreutvikling av en rekke andre fagområder innen toksikologi og økotoksikologi, deriblant:
- Effekter av miljøgifter på pelagiske organismer (Biologisk Institutt: Josefin Titelman, Stein Kaartvedt); pågående NFR-prosjekt (Hylland, Vestheim, UiB, NIVA).
- Effekter av miljøgifter på makrobentiske alger (Biologisk Institutt: Stein Fredriksen; NIVA: Kevin Thomas); tidligere samarbeid, publisering gjenstår.
- Terrestrisk økotoksikologi (Biologisk Institutt: Hans Petter Leinaas, Heidi Konestabo, Line Sverdrup); pågående intern-prosjekt, relevant for fokusområdet oksidativ stress.
- Sediment økotoksikologi (NIVA: Morten Schaanning, Karl Norling, Kevin Thomas); pågående NFR-prosjekt (Hylland, Stomperudhaugen, NIVA).
Metoder
Innen humantoksikologi og økotoksikologi benyttes biomarkører for å evaluere helse og eventuelle påvirkninger på individer fra kjemikalier og andre stressfaktorer i miljøet. Slike markører måles gjerne som endringer i for eksempel enzymaktivitet eller mengde av uttrykt protein (Hylland, 2006). De best etablerte metodene for måling av cellulære prossesser innen økotoksikologi omfatter blant annet måling av cellens biotransformasjonssystemer (CYP enzymer, konjugeringsenzymer), blodparametere (hemsyntese, steroidnivåer), DNA skade (addukter, trådbrudd, kromosomskade) og oksidativt stress (antioksidantenzymer, antioksidantnivåer) (se f eks Hylland, 2004). Slike endepunkter kan måles i individer samlet inn fra naturen eller de kan studeres mekanistisk ved bruk av cellekulturer. Metodene som benyttes er etablert ved toksikologi ved UiO eller finnes tilgjengelig gjennom tilknyttede samarbeidspartnere.
For bedre å forstå årsak, karakterisere utviklingsforløp og evaluere stoffers ”fingeravtrykk” på organismer er det viktig å forstå virkningsmekanismen som ligger til grunn for en eventuell skadelig effekt. Det finnes flere verktøy og teknologier for å studere denne sammenhengen, ofte kalt ”omics” teknologiene. Disse verktøyene gjør det mulig å studere det komplette utrykte genomet, proteomet, og/eller metabolomet i en celle eller organisme, det vil si å studere virkningsforløpet fra første tegn til påvirkning til vel etablerte skadetilstander. Man studerer med andre ord hva som kan skje (genomikk), hva som bør skje - transkriptomikk (Holth et al., 2008, in press), hva som faktisk skjer (proteomikk) og hva som har skjedd (metabolomikk) samtidig. Slike verktøy er en gullgruve for såkalt oppdagelsesdrevet forskning og dannelsen av ny forsåelse og hypoteser. Metodikkene benytter seg av mikromatriser og laserscannere (transkriptomikk) og kromatografiske metoder eller NMR (proteomikk, metabolomikk). Miljøet bruker rutinemessig kvantitativ polymerase chain reaction (PCR) analyser som enkeltstående analyser for uttrykk av utvalgte gener, og som en valideringsmetode for transkriptomikk (Holth et al., 2008). Det mangler imidlertid fortsatt gode valideringsmetoder for proteomikk og metabolomikk. Mye av instrumentering som kreves er tilgjengelig blant gruppens samarbeidspartnere, også innad på Biologisk institutt, men det vil være behov for instrument-ressurser til økt kvalitet og nyutvikling innen protomikk og metabolomikk.
Antistoffbaserte metoder har gjerne høy selektivitet og lav deteksjonsgrense og benyttes gjerne for å bestemme mengden av spesifikke proteiner i vev eller celler. Innen økotoksikologi benyttes slike immunoassays for bestemmelse av proteiner i for eksempel lever eller blod som et endepunkt for cellulære prossesser (se Hylland, 1999; Scott & Hylland, 2002). Antistoff benyttes også i økende grad innen blant annet flowcytometri og cell imaging kombinert med bruk av levende celler. Ulike varianter av immunoassays, som Western blot og ELISA, gjennomføres rutinemessig ved toksikologi ved biologisk institutt, metoder for bruk av flow cytometri er under utvikling og «live cell imaging» er tilgjengelig gjennom samarbeidspartnere (IMBV).